力学性能和热处理(精心整理)

金属材料力学性能与热处理工艺2014年1月4日材料科学与工程的“四要素”使用性能性质成分/结构制备/加工探索这四个要素之间的关系，覆盖了材料科学与工程领域的所有研究内容。能够根据使用性能要求，选择合适的材料，并制定出相应的加工工艺，使之最终具有满足使用性能要求的性质，是工程技术人员应该具备的能力。材料力学性能材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。金属力学性能常用金属力学性能指标强度屈服强度、抗拉强度、断裂强度塑性延伸率、断面收缩率、应变强化指数弹性弹性模量（刚度）、弹性极限、比例极限硬度布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度韧性静力韧度、冲击韧度、断裂韧度疲劳疲劳强度、疲劳寿命、疲劳缺口敏感度应力腐蚀应力腐蚀临界应力场强度因子、应力腐蚀裂纹扩展速率低碳钢单向静载拉伸应力―应变曲线1、oa段：弹性变形2、ab段：弹性变形+塑性变形3、bcd段：明显塑性变形，出现屈服现象，作用力基本不变情况下，试样连续伸长。4、dB段曲线：弹性变形+均匀塑性变形5、B点：出现缩颈现象，试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。低碳钢拉伸力―伸长曲线材料力学性能强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。2、抗拉强度试样拉断前所承受的最大拉应力，反映了材料的最大均匀变形的抗力。1、屈服强度σb=Fb/S0σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。σs=Fs/S0Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）；S0：试样原始横截面积（mm）强度指标σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选择韧性材料的主要依据之一。材料力学性能塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。1、断后伸长率2、断面收缩率试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。δ=(L1-L0)/L*100%L0:标距；L1:拉断后的试件标距。Ψ=(A0-A1)/A0*100%A0:试件原横截面积；A1:断裂后颈缩处的横截面积。材料力学性能弹性指标组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理、冷塑性变形对其影响不大。刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。E=σ/εσ：拉应力；ε：拉伸应变机构和构件选材重要的力学性能指标：►行车梁应具有足够的刚度，否则在起吊重物时会因挠度过大引起振动。►机床和压力机主轴、床身和工作台对刚度都有要求，以保证加工精度。►内燃机、离心机和压气机等的主要构件要有足够的刚度防止发生振动。材料力学性能硬度材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。硬度的测试方法（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）维氏硬度（4）肖氏硬度（5）里氏硬度（6）莫氏硬度材料力学性能布氏硬度适用范围:用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.优缺点：（1）测量值较准确，重复性好；（2）可测组织不均匀材料；（3）不适合测试成品与薄件；（4）测量费时，效率低。450HB：测试压头为淬火钢球，硬度符号HBS；650HB：测试压头为硬质合金，硬度符号HBW。单位面积上所承受的平均应力，即试验力p与压痕球形表面积的商。经验公式：低碳钢：σb≈3.6HBS；高碳钢：σb≈3.4HBS。材料力学性能洛氏硬度以测量压痕深度表示材料的硬度值，每0.002mm相当于1洛氏硬度单位。10HRC≈HBSHR=（k-h）/0.002压头分两种：1、圆锥角α=120°的金刚石圆锥体，2、直径为Φ1.588mm的小淬火钢球。洛氏硬度计算式：压头1：k=0.2mm；压头2：k=0.26mm。标尺硬度符号压头类型总试验力F/N测量硬度范围应用举例CHRC金刚石圆锥147120-70淬火钢、高硬度铸铁、珠光体可锻铸铁BHRBΦ1.588mm钢球980.720-100低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁AHRA金刚石圆锥588.420-88硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢优缺点：（1）试验简单、方便、迅速；（2）压痕小，可测成品，薄件；（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。材料力学性能维氏硬度在200-350HBS之间，HV≈HBS根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。压头是两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体。测量范围：常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。优缺点：（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。材料力学性能冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。ak=Ak/S0(J/cm²)ak值低－脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高－韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。材料力学性能Titanic沉没原因含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。一项新的科学研究回答了80年未解之谜冲击韧性低温脆性韧脆转变温度不同碳含量钢冲击功与温度关系材料力学性能含硫高的钢现代船舶用钢断裂韧度断裂力学：在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。张开型穿透裂纹无限大板的应力分析应力场强度因子K1a1YKY—裂纹强度系数断裂韧度K1CcccYKa1cc裂纹不会扩展，安全裂纹扩展，断裂失效材料力学性能疲劳强度疲劳现象：金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。80%的断裂由疲劳造成疲劳特点：（1）疲劳是低应力循环延时断裂，断裂应力往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度；（2）疲劳是脆性突发性断裂，断裂前不会有明显的变形征兆，危险性大；（3）疲劳对缺口、裂纹及组织缺陷十分敏感，具有高度的选择性。材料力学性能疲劳极限σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。钢材疲劳强度经验公式:σ-1=(0.45～0.55)σb或σ-1=0.27(σs+σb）σ-1p=0.23(σs+σb）材料力学性能定义：将固态金属或合金通过加热、保温和冷却，使其内部组织结构发生变化，获得所需要性能的工艺。目的：一是改善材料工艺性能，确保后续加工顺利进行，这种热处理称为预先热处理；二是提高材料使用性能，延长零件使用寿命，这种热处理称为最终热处理。分类：普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）其他热处理（真空热处理、形变热处理等）热处理钢材热处理工艺共析钢在加热时的组织转变（回顾）钢材热处理工艺珠光体向奥氏体转变过程四步：（1）奥氏体形核；（2）奥氏体长大；（3）剩余Fe3C溶解；（4）奥氏体均匀化。钢在冷却时的组织转变重要性：决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。奥氏体的冷却转变：奥氏体在临界点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相，要发生组织转变。钢材热处理工艺冷却方法σb/Mpaσs/Mpaδ/%ψ/%HRC随炉冷却51927232.54915~18空气冷却657~70633315~1845~5018~24油中冷却88260818~204840~50水中冷却10787067~812~1452~6045钢加热到840℃，在不同冷却条件下冷却后的力学性能钢材热处理工艺共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立（金相硬度法）也称“TTT曲线”（Time-Temperature-TransformationCurve）因形状类似“C”，常称“C曲线”。借助“C曲线”，可以了解奥氏体在不同的冷却条件下转变成何种组织以及转变产物的性能，为正确制定和选择热处理工艺提供理论依据。钢材热处理工艺01时间/sT/℃M+A'A1100200300400500600700800-100100101010102345AMsMf过冷A过冷AA→MA→下BA→S转变开始转变结束A→上BA→TA→PM下B上BTSP5~25HRC25~35HRC35~40HRC40~50HRC50~60HRC60~65HRC共析钢C曲线及转变产物1）珠光体型转变（又称高温转变）转变温度：A1~550℃；转变产物：珠光体A1~6500C：珠光体片层较粗，P（珠光体-pearlite）6500C~6000C：珠光体层片较细，S（索氏体-sorbite）6000C~5500C：珠光体层片极细，T(屈氏体－troolstite）珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。钢材热处理工艺PST2）贝氏体型转变（又称中温转变）转变温度：550—Ms（230℃）转变产物：贝氏体B（bainite）----由过饱和F和渗碳体组成的混合物。550~350℃：上贝氏体（upperbainite）（B上）羽毛状组织，强度与塑性都较低，脆性很高。350℃~Ms：下贝氏体（lowerbainite）（B下）针片状组织，综合性能好。钢材热处理工艺B上B下3）马氏体转变（又称低温转变）转变温度：Ms（230°C）~Mf转变产物：马氏体（martensite）+A′(residualaustenite)马氏体：碳在α-Fe中形成的过饱和固溶体，用M表示。分类：低碳马氏体（lowcarbonmartensite）：呈板条状，具有较高的强度和塑韧性。也称板条M（lathmartensite）。高碳马氏体（highcarbonmartensite）：呈透镜状，片状，中间有脊线。其强度很高，但塑韧性差，脆性大。低碳马氏体高碳马氏体钢材热处理工艺FAP+FS+FTBM+A’A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf亚共析钢的C曲线钢材热处理工艺P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡT+Fe3CⅡBM+A’Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf过共析钢的C曲线钢材热处理工艺过冷奥氏体连续转变冷却曲线（CCT曲线）(ContinuousCoolingTransformation)Vc（上临界冷却速度）时间t温度℃A1Pf（P转变终了线）Ps（P转变开始线）A+PK（P转变中止线）MsMf水冷油冷Vc`（下临界冷却速度）炉冷空冷过冷A区产物区M+A′M-100℃0℃230℃钢材热处理工艺P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’用C曲线定性说明连续冷却转变产物550℃600℃650℃钢材热处理工艺目的：细化晶粒；降低硬度，改善钢的成形和切削加工性能消除内应力。退火（annealing）分类：按退火的目的和工艺特点可分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。定义：加热缓冷P钢临界温度以上或以下钢材热处理工艺完全退火（fullannealing）适用范围：亚共析钢加热温度：Ac3+30～50℃目的：细化组织，降低硬度，改善切削加工性,消除内应力室温组织：F+PAC3+30～50℃球化退火（spheroidizingannealing）适用范围：共析钢和过共析钢加热温度：Ac1+20~30℃目的：使网状或片状Fe3CⅡ球化。组织：球状珠光体AC1+20～30℃钢材热处理工艺等温退火(isothermalannealing)工艺：加热到Ac1+30~50℃或Ac3+30~50℃，保温后，迅速冷却至Ar1以下某一位温度，待A都变为P类组